JP6147446B1 - Inertial sensor initialization using soft constraints and penalty functions - Google Patents

Inertial sensor initialization using soft constraints and penalty functions Download PDF

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Abstract

センサが休止状態において又は周知の場所若しくは向きにおいて開始することを必要とすることなしに、開始向き及び速度を推定する慣性センサ用の初期化方法。初期化は、初期化期間中においてほぼ守られると予想されるソフト制約の組としてエンコードされた動きのパターンを使用している。ソフト制約からの算出された動きの軌跡の逸脱を計測するため、ペナルティ計測基準が定義される。慣性センサ用の動きの微分方程式が、変数としての初期状態によって解かれ、ペナルティ計測基準を極小化する初期状態が、センサの実際の初期状態の推定値として使用される。特定用途用のソフト制約及びペナルティ計測基準は、その用途について予想される動きのパターンのタイプに基づいて選択される。例示的なケースは、初期化の際に相対的にほとんど運動がない用途と、初期化の際にほぼ周期的な動きを有する用途とを含む。An initialization method for an inertial sensor that estimates the starting orientation and speed without requiring the sensor to start in a quiescent state or in a known location or orientation. Initialization uses a motion pattern encoded as a set of soft constraints that are expected to be mostly observed during the initialization period. Penalty metrics are defined to measure the deviation of the calculated motion trajectory from the soft constraints. The differential equation of motion for the inertial sensor is solved by the initial state as a variable, and the initial state that minimizes the penalty metric is used as an estimate of the actual initial state of the sensor. Application specific soft constraints and penalty metrics are selected based on the type of motion pattern expected for the application. Exemplary cases include applications that have relatively little motion during initialization and applications that have approximately periodic movement during initialization.

Description

1つ又は複数の実施形態は、動きのキャプチャと、ユーザー又は装置と結合されうる動きのキャプチャと関連したセンサの初期化とに関する。更に詳しくは、但し、限定を伴うことなしに、1つ又は複数の実施形態は、慣性センサ装置の初期状態を推定するためのソフト制約及びペナルティ機能を使用した慣性センサの初期化を可能にする。初期化は、一般に、初期化時間インターバル中においてこの装置からキャプチャされたデータと、このインターバル中におけるこの装置の動きに対するソフト制約の組とに基づいて、ある時点において実行される。   One or more embodiments relate to motion capture and sensor initialization associated with motion capture that can be coupled to a user or device. More particularly, but without limitation, one or more embodiments allow for initialization of the inertial sensor using soft constraints and a penalty function to estimate the initial state of the inertial sensor device. . Initialization is generally performed at some point based on data captured from the device during the initialization time interval and a set of soft constraints on the movement of the device during the interval.

慣性センサは、一般に、動きの追跡及びナビゲーションのために使用されている。これらは、外部入力又は基準に対するニーズを伴うことなしに、物体の動きを推定するために使用することができるという利点を提供している。これらのシステムは、通常、線形の力を計測するための加速度計と、回転の動きを計測するためのジャイロスコープとを含む。   Inertial sensors are commonly used for motion tracking and navigation. They offer the advantage that they can be used to estimate the motion of an object without the need for external inputs or references. These systems typically include an accelerometer for measuring linear forces and a gyroscope for measuring rotational movement.

このようなシステムは、船舶及び航空機用のナビゲーション支援装置として、多年にわたって使用されている。更に最近では、廉価なMEMSセンサが広く入手可能となったことに伴って、慣性センサは、スマートフォンなどの消費者製品に益々組み込まれるようになっている。   Such a system has been used for many years as a navigation support device for ships and aircraft. More recently, with the availability of inexpensive MEMS sensors, inertial sensors are increasingly being incorporated into consumer products such as smartphones.

純粋な慣性センサは、均一な線形運動を検出することができず、これは、基本的に、相対原理の結果である。また、これらは、絶対位置又は向きを判定することもできない。事実上、慣性センサは、位置及び向きの変化の追跡に使用することができる。動きの追跡又はナビゲーションの装置として、これらは、既知の開始状態から、且つ慣性センサによって検出された変化から新しい位置及び向きを推定するため、推測航法技法に依存している。   A pure inertial sensor cannot detect uniform linear motion, which is basically a result of the relative principle. Nor can they determine absolute position or orientation. In effect, inertial sensors can be used to track changes in position and orientation. As motion tracking or navigation devices, they rely on dead reckoning techniques to estimate new positions and orientations from known starting conditions and from changes detected by inertial sensors.

従って、慣性センサを使用した用途は、慣性データを介して位置及び向きの変化を計測する前に、センサの初期状態を判定するため、なんらかの方法を使用しなければならない。既存のシステムは、一般に、この初期化のために、2つの方式のうちの1つ又は両方を使用している。   Therefore, applications using inertial sensors must use some method to determine the initial state of the sensor before measuring changes in position and orientation via inertial data. Existing systems typically use one or both of two schemes for this initialization.

慣性センサの初期化の1つの既存の方式は、センサを既知の位置及び向きに配置し、且つ動きの追跡を開始する前に、センサが、なんらかの期間にわたって(線形又は回転の動きを伴わない)休止状態にあることを保証するというものである。この結果、センサの初期位置及び向きを動きの追跡アルゴリズムに対して直接的に提供することが可能であり、且つ休止状態の初期状態を反映させるため、初期線速度及び角速度をゼロに設定することができる。この方式は極めて単純であるが、いくつかの状況においては適用できない場合がある。ときには初期位置又は初期向きが判明しない場合がある。いくつかの用途においては、動きの追跡を開始する前に休止状態の期間を確保することが実現可能ではない場合がある。   One existing method of initializing the inertial sensor is to place the sensor in a known position and orientation and start the motion tracking for a period of time (with no linear or rotational motion). It guarantees that it is in a dormant state. As a result, the initial position and orientation of the sensor can be provided directly to the motion tracking algorithm, and the initial linear and angular velocities are set to zero to reflect the initial state of rest. Can do. This scheme is quite simple, but may not be applicable in some situations. Sometimes the initial position or orientation is not known. In some applications, it may not be feasible to ensure a period of dormancy before beginning motion tracking.

動きの追跡を開始する前にセンサが休止状態となることを要する既存のシステムは、ときには、加速度計を重力ベクトルのセンサとして使用することにより、垂直線との関係におけるセンサの初期傾斜の推定値を取得することができる。この技法は、センサが休止状態にあり、且つ無視可能な振動が存在している際にのみ適用可能であり、さもなければ、加速度計データは、真の加速度及び重力の組合せを反映することになる。   Existing systems that require the sensor to be inactive before tracking motion can sometimes be used to estimate the initial tilt of the sensor relative to the vertical line by using an accelerometer as a sensor for the gravity vector. Can be obtained. This technique is only applicable when the sensor is at rest and there is negligible vibration, otherwise the accelerometer data will reflect a combination of true acceleration and gravity. Become.

慣性センサの初期化の第2の既存の方式は、慣性センサデータをその他のセンサデータ供給によって補完するというものである。例えば、GPSシステムは、しばしば、絶対位置情報を有するデータ供給を提供するため、慣性センサとの関連において使用されている。絶対向き情報を有するデータ供給を提供するため、慣性センサとの関連において磁石を使用してもよい。これらの慣性センサと非慣性センサとを組み合わせたタイプのハイブリッドシステムは、一般に、ナビゲーションに使用されている。例えば、GPSシステムは、主ナビゲーションツールとして使用されてもよく、この場合に、GPS信号が一時的に利用できないケースにおいては、慣性センサが、GPS更新とバックアップとの間における外挿を提供している。   A second existing method of inertial sensor initialization is to supplement the inertial sensor data with other sensor data supplies. For example, GPS systems are often used in the context of inertial sensors to provide a data supply with absolute position information. A magnet may be used in the context of an inertial sensor to provide a data feed having absolute orientation information. A hybrid system of a combination of these inertial sensors and non-inertial sensors is generally used for navigation. For example, the GPS system may be used as the main navigation tool, in which case inertial sensors provide extrapolation between GPS updates and backups in cases where GPS signals are temporarily unavailable. Yes.

ハイブリッドシステムの欠点は、付加的なセンサハードウェア及びソフトウェアの費用及び複雑さである。具体的には、GPS(又は携帯電話信号を使用したものなどの類似の場所検出システム)の場合には、GPSレシーバをセンサハードウェアに統合しなければならない。これは、実際的ではない場合があり、又は屋内などの特定の環境においてはまったく機能しない場合もある。   A drawback of hybrid systems is the cost and complexity of additional sensor hardware and software. Specifically, in the case of GPS (or similar location detection systems such as those using cellular phone signals), a GPS receiver must be integrated into the sensor hardware. This may not be practical or may not work at all in certain environments, such as indoors.

まとめると、慣性センサを初期化する既知のシステムは、一般に、センサを休止状態及び既知の状態に配置することに、又は慣性センサを更なるセンサのデータ供給によって補完することに依存している。いずれの方式も、特定の用途において制限及び欠点を有している。従って、相対的に一般的な状態において、且つ更なるセンサハードウェアに対するニーズを伴うことなしに使用されうる慣性センサの初期化方法に対するニーズが存在している。   In summary, known systems for initializing inertial sensors generally rely on placing the sensor in a quiescent state and a known state, or supplementing the inertial sensor with additional sensor data feeds. Both schemes have limitations and disadvantages in certain applications. Accordingly, there is a need for an inertial sensor initialization method that can be used in relatively general situations and without the need for additional sensor hardware.

本発明の実施形態は、慣性センサ装置の初期状態を、初期化時間インターバル中においてこの慣性センサ装置からキャプチャされたデータと、このインターバル中におけるこの慣性センサの動きに対するソフト制約の組とに基づいて、ある時点において推定するための方法に関する。これらの制約は、ソフト制約と呼称されてもよく、その理由は、いくつかの実施形態において、これらの制約は、初期化時間インターバル中における装置の動きについてほぼ守られると予想されるからである。これらのソフト制約からのわずかな逸脱が予想されうるが、大規模な逸脱は発生しないと予想されうる。本発明の異なる実施形態は、これらの異なる実施形態を使用する様々な用途において予想される代表的な動きのパターンを潜在的に反映した異なるソフト制約を使用しうる。   Embodiments of the present invention determine the initial state of the inertial sensor device based on data captured from the inertial sensor device during the initialization time interval and a set of soft constraints on the motion of the inertial sensor during the interval. Relates to a method for estimating at a certain point in time. These constraints may be referred to as soft constraints because, in some embodiments, these constraints are expected to be largely respected for device movement during the initialization time interval. . Although slight deviations from these soft constraints can be expected, no major deviations can be expected. Different embodiments of the present invention may use different soft constraints that potentially reflect typical motion patterns expected in various applications using these different embodiments.

本発明の1つ又は複数の実施形態は、慣性センサが、初期化時間インターバルの全体を通じて休止状態にあること又は特定の向きにあることを必要としなくてもよい。更なるいくつかの実施形態は、慣性センサからキャプチャされたデータが、GPS読取りなどのその他の非慣性データによって補完されることを必要としなくてもよい。従って、本発明の実施形態は、初期化の際に予想される動きのパターンをソフト制約の組として使用することにより、広範な条件下において、且つ更なるセンサハードウェアを伴うことなしに、慣性センサの初期状態を推定するために使用することができる。例えば、本発明の1つ又は複数の実施形態は、専用の初期化手順のために装置を休止状態において維持することを要することが実際的ではない連続使用状態にある装置の初期向き又は初期速度を推定するために使用されうる。このようなユースケースは、例えば、装置の向き又は速度の初期化のために、ゲームの最中に装置のユーザーを妨害することが実際的ではない統合型の慣性センサを有するスポーツ装置に対して適用されうるであろう。   One or more embodiments of the present invention may not require the inertial sensor to be dormant or in a particular orientation throughout the initialization time interval. Some further embodiments may not require that data captured from inertial sensors be supplemented by other non-inertial data such as GPS readings. Thus, embodiments of the present invention use inertial motion patterns expected during initialization as a set of soft constraints, so that inertial conditions can be achieved under a wide range of conditions and without additional sensor hardware. It can be used to estimate the initial state of the sensor. For example, one or more embodiments of the present invention provide an initial orientation or initial speed for a device in continuous use where it is impractical to require the device to remain in a dormant state for a dedicated initialization procedure. Can be used to estimate. Such use cases are for example for sports equipment with integrated inertial sensors that are impractical to disturb the user of the device during the game, due to initialization of the orientation or speed of the device. Could be applied.

本発明の実施形態は、ソフト制約の組からの慣性センサ装置の実際の動きの軌跡の逸脱を定量化するため、1つ又は複数のペナルティ計測基準を使用してもよい。このような実施形態を使用する用途においては、ソフト制約自体と同様に、本発明の1つ又は複数の実施形態によって使用されるペナルティ計測基準も、予想される動きのパターンに基づいて選択されうる。   Embodiments of the present invention may use one or more penalty metrics to quantify the deviation of the actual motion trajectory of the inertial sensor device from the set of soft constraints. In applications using such embodiments, the penalty metric used by one or more embodiments of the present invention, as well as the soft constraints themselves, may be selected based on the expected motion pattern. .

1つ又は複数の実施形態においては、慣性センサの初期状態の推定値は、ペナルティ計測基準を極小化することによって算出されうる。事実上、この手順は、このような実施形態のために定義されたソフト制約に近接した(位置及び速度軌跡を含みうる)動きの軌跡を生成する初期状態を見出している。既存の技術における通常の慣性による動きの追跡用途においては、慣性センサの初期状態が判明しており、且つセンサの動きの軌跡は、慣性センサ用の周知の動きの微分方程式を(分析的に又は数値的に)積分することによって算出されている。本発明の1つ又は複数の実施形態において使用される方式は、ある意味においては、通常の動きの追跡方式とは逆であり、ソフト制約からの動きの軌跡の逸脱を極小化することによって見出されるべき変数として、初期状態を取り扱ってもよい。   In one or more embodiments, the initial estimate of the inertial sensor can be calculated by minimizing the penalty metric. In effect, this procedure finds an initial state that generates a motion trajectory (which may include position and velocity trajectories) close to the soft constraints defined for such an embodiment. In conventional inertial motion tracking applications in existing technology, the initial state of the inertial sensor is known, and the sensor motion trajectory is a well-known differential equation of motion for the inertial sensor (analytically or It is calculated by integrating (numerically). The scheme used in one or more embodiments of the present invention, in a sense, is the opposite of the normal motion tracking scheme and is found by minimizing the deviation of the motion trajectory from the soft constraints. The initial state may be treated as a variable to be handled.

ペナルティ計測基準を極小化する初期状態の判定は、関数極小化のための既知の技法の組のいずれかによって実行されうる。これらは、直接的な分析的技法(ときには単純な関数形態の場合に使用されうる)と、関数最適化のための様々な数値的方法とを含む。また、本発明の実施形態は、初期状態の不正確ではあるが有用である推定値を取得するため、近似的な極小化方法を適用してもよい。このような近似的な方法は、例えば、初期化計算が、相対的に小さい演算能力を有する組込み型のプロセッサ上において実行される場合、又は近似的な推定値の取得が緊急に必要とされている場合に使用されうるであろう。   The determination of the initial state that minimizes the penalty metric can be performed by any of a set of known techniques for function minimization. These include direct analytical techniques (sometimes used in the case of simple functional forms) and various numerical methods for function optimization. In addition, the embodiment of the present invention may apply an approximate minimization method in order to obtain an estimated value that is inaccurate but useful in the initial state. Such approximate methods can be used, for example, when initialization calculations are performed on embedded processors with relatively small computing power, or when an approximate estimate is urgently needed. Could be used if

本発明の1つ又は複数の実施形態においては、慣性センサの動きに対するソフト制約は、センサの位置が初期化の期間中において相対的にほとんど変化せず、且つセンサの初期速度が相対的に小さいという制約を含んでもよい。これらの実施形態は、初期化期間にまたがる慣性センサの位置の正味の変化から構成された単純なペナルティ計測基準を使用してもよい。このタイプの単純なペナルティ計測基準は、例えば、プレーヤーが、アドレスの際に、自らの(統合型又は装着型の慣性センサを含む)ゴルフクラブを運動させているが、クラブヘッドが、このアドレス期間中にボールから非常に遠く離れた状態では絶対に運動せず、且つアドレスの際に非常に高速では絶対に運動しないゴルフスイング分析用途における1つ又は複数の実施形態で使用されうるであろう。   In one or more embodiments of the present invention, the soft constraints on inertial sensor motion are such that the sensor position remains relatively unchanged during initialization and the initial velocity of the sensor is relatively small. It may include the constraint. These embodiments may use a simple penalty metric that consists of a net change in inertial sensor position across the initialization period. A simple penalty metric of this type is that, for example, a player is moving his or her golf club (including an integrated or wearable inertial sensor) at the time of addressing, but the club head is It could be used in one or more embodiments in golf swing analysis applications that never move very far away from the ball, and that do not move very rapidly when addressing.

1つ又は複数の実施形態においては、センサの初期向きは、動きの微分方程式を向きの式と位置及び速度の式とに分離する技法を使用することにより、直接的に算出することができる。この微分方程式の分離は、初期向きの推定値を付与するために分析的に極小化されうる正味の位置の変化の式をもたらす(ペナルティ計測基準)。この分析的な解決策は、反復的な数値的極小化方式のために時間又は演算リソースを提供することができない用途において利益を提供しうる。   In one or more embodiments, the initial orientation of the sensor can be calculated directly by using a technique that separates the differential equation of motion into an orientation equation and a position and velocity equation. This separation of differential equations yields a net position change equation that can be analytically minimized to give an initial estimate (penalty metric). This analytical solution may provide benefits in applications that cannot provide time or computational resources due to the iterative numerical minimization scheme.

本発明の1つ又は複数の実施形態においては、慣性センサの動きに対するソフト制約は、動きが初期化インターバル中において近似的に周期性を有することを通知する1つ又は複数の制約を含んでもよい。1つ又は複数の実施形態におけるペナルティ計測基準は、単一の選択された動きの期間にまたがる正味の位置の変化及び正味の速度の変化を含んでもよい。このような制約及びペナルティ計測基準は、例えば、打者が、投球を待っている間、自らのバットを準周期的な前後の動きにおいて又は反復的な円形の動きにおいて運動させている野球のスイング分析用途における1つ又は複数の実施形態で使用されうるであろう。   In one or more embodiments of the present invention, the soft constraint on the motion of the inertial sensor may include one or more constraints that signal that the motion is approximately periodic during the initialization interval. . The penalty metric in one or more embodiments may include a change in net position and a change in net velocity over a single selected period of motion. Such constraints and penalty metrics include, for example, baseball swing analysis where a batter moves his bat in quasi-periodic back-and-forth motion or in repetitive circular motion while waiting for a pitch. Could be used in one or more embodiments in an application.

本発明の1つ又は複数の実施形態においては、ペナルティ計測基準を極小化する前に、動きの周期の推定値が予備的な処理ステップにおいて算出されてもよい。1つ又は複数の実施形態は、動きの優位周波数(及び従って優位周期)を識別するため、初期化の際の慣性センサデータに対する離散フーリエ変換(DFT)を使用した周期推定ステップを含んでもよい。予備的な周期推定ステップの使用は、観察される動きから周期が動的に算出されうるという利益を提供する。従って、これは、ソフト制約(特に、周期)を特定のイベントについて観察される特定の動きのパターンに対して調節する1つ又は複数の実施形態によって使用される適応型の方法であってもよい。   In one or more embodiments of the present invention, an estimate of the period of motion may be calculated in a preliminary processing step prior to minimizing the penalty metric. One or more embodiments may include a period estimation step using a discrete Fourier transform (DFT) on the inertial sensor data during initialization to identify the dominant frequency of motion (and thus the dominant period). The use of a preliminary period estimation step provides the benefit that the period can be calculated dynamically from the observed movement. Thus, this may be an adaptive method used by one or more embodiments that adjust soft constraints (especially the period) to a particular pattern of movement observed for a particular event. .

期間にまたがる正味の位置の変化又は正味の速度の変化を含むペナルティ計測基準を使用する1つ又は複数の実施形態においては、微分方程式の分離が、この初期化期間中における速度及び位置の正味の変化の式を得るために適用されてもよい。1つ又は複数の実施形態においては、これらの式は、順番に分析的に解くことが可能であり、最初に正味の速度の変化を極小化するために初期向きを算出することが可能であり、且つ次いで正味の位置の変化を極小化するために初期速度を算出することができる。   In one or more embodiments that use a penalty metric that includes a net position change or a net speed change over time, the separation of the differential equations may result in net speed and position nets during this initialization period. It may be applied to obtain a change equation. In one or more embodiments, these equations can be solved analytically in turn, and the initial orientation can be calculated first to minimize the net velocity change. And then the initial velocity can be calculated to minimize the net position change.

本発明の1つ又は複数の実施形態においては、慣性センサの初期向き及び初期速度の推定値を判定する際に、対象の活動を含むキャプチャ時間インターバルにわたって慣性センサからサンプルデータを収集するステップを含む方法が利用されてもよく、この場合に、サンプルデータは、加速度計データと、レートジャイロデータとを含む。加速度計データ及びレートジャイロデータは、それぞれ、時系列の三次元ベクトルであり、いくつかの実施形態においては、慣性センサは、ジャイロ又は加速度計の3つ未満の軸に関するデータを提供しうるが、このデータは、常に、三次元ベクトル内に埋め込むことができる。任意の時点における慣性センサの向きは、三次元空間の直交変換であり、これは、3×3行列又は単位四元数などの様々な形態において表されうる。任意の地点及び時点における慣性センサの速度及び位置は、それぞれ、三次元ベクトルである。初期化時間インターバルは、キャプチャ時間インターバル内において選択される。ソフト制約の組は、初期化インターバル中における慣性センサの位置及び速度軌跡に関して定義される。ソフト制約のそれぞれは、位置ベクトル及び速度ベクトルの可能な軌跡の組を定義している。本発明の1つ又は複数の実施形態においては、ソフト制約は、初期化インターバル中における対象の活動の位置及び速度軌跡の代表的なパターンの近似を表している。ペナルティ計測基準の組は、ソフト制約からの慣性センサの算出された位置及び速度軌跡の逸脱を定量化するために定義されている。初期化インターバルの開始における慣性センサの初期向き及び初期速度の推定値は、初期向き及び初期速度の推定値が、サンプルのジャイロ及び加速度計データを初期化インターバルにわたって向き、速度、及び位置に積分するために初期状態として使用される際に、ペナルティ計測基準を極小化するために算出される。1つ又は複数の実施形態においては、積分は、向き、速度、及び位置の時間導関数を、互いに且つ計測された加速度計及びジャイロデータに関係付ける慣性センサの結合された動きの微分方程式を使用している。1つ又は複数の実施形態においては、向きの時間導関数が、向き×ジャイロベクトルとの間のクロス積を表す歪対称行列に等しい微分方程式が使用されている。速度ベクトルの時間導関数が、向き×加速度計ベクトルに等しく、この量が、重力ベクトルに加算される第2の微分方程式が使用されている。重力ベクトル項は、慣性センサの加速度計が、真の加速度ではなく、自由落下との関係における見かけの動きを計測するという事実を反映している。位置ベクトルの時間導関数が速度ベクトルに等しい第3の微分方程式が使用されている。   In one or more embodiments of the present invention, collecting sample data from the inertial sensor over a capture time interval that includes the activity of interest in determining an estimate of the initial orientation and initial velocity of the inertial sensor. A method may be utilized, in which case the sample data includes accelerometer data and rate gyro data. The accelerometer data and rate gyro data are each a time-series three-dimensional vector, and in some embodiments, the inertial sensor may provide data for less than three axes of the gyro or accelerometer, This data can always be embedded in a three-dimensional vector. The orientation of the inertial sensor at any point in time is an orthogonal transformation in three-dimensional space, which can be expressed in various forms such as a 3 × 3 matrix or a unit quaternion. The velocity and position of the inertial sensor at any point and time are each a three-dimensional vector. The initialization time interval is selected within the capture time interval. A set of soft constraints is defined in terms of inertial sensor position and velocity trajectories during the initialization interval. Each soft constraint defines a set of possible trajectories of position and velocity vectors. In one or more embodiments of the present invention, the soft constraints represent an approximation of a representative pattern of the position and velocity trajectory of the subject's activity during the initialization interval. A set of penalty metrics is defined to quantify the deviation of the calculated position and velocity trajectory of the inertial sensor from soft constraints. Inertial sensor initial orientation and initial velocity estimates at the start of the initialization interval, the initial orientation and initial velocity estimates integrate the sample gyro and accelerometer data into the orientation, velocity, and position over the initialization interval. Therefore, when used as an initial state, it is calculated to minimize the penalty metric. In one or more embodiments, the integration uses a combined motion differential equation of inertial sensors that relate the time derivatives of orientation, velocity, and position to each other and to the measured accelerometer and gyro data. doing. In one or more embodiments, a differential equation is used in which the time derivative of the orientation is equal to a distorted symmetric matrix that represents the cross product between the orientation × gyro vector. A second differential equation is used where the time derivative of the velocity vector is equal to the orientation x accelerometer vector and this amount is added to the gravity vector. The gravity vector term reflects the fact that the inertial sensor accelerometer measures the apparent movement in relation to free fall, not true acceleration. A third differential equation is used in which the time derivative of the position vector is equal to the velocity vector.

本発明の1つ又は複数の実施形態においては、ソフト制約は、初期化インターバルの開始と終了との間における位置の変化がゼロであるという要件を含み、これは、慣性センサが、事実上、初期化インターバルにわたって、同一の場所において又は空間の限られた領域内において留まると予想されることを反映している。1つ又は複数の実施形態においては、ペナルティ計測基準は、初期化インターバルの終了と初期化インターバルの開始との間における位置の差の絶対値として定義される計測基準を含む。この計測基準は、慣性センサのゼロの正味の運動というソフト制約からの位置軌跡の逸脱を計測する。1つ又は複数の実施形態においては、慣性センサの初期速度の推定値がゼロに設定されており、且つセンサの初期向きを推定するためにペナルティ計測基準の極小化が使用されている。   In one or more embodiments of the invention, the soft constraint includes a requirement that the change in position between the start and end of the initialization interval is zero, which means that the inertial sensor is effectively This reflects what is expected to remain in the same location or in a limited area of space over the initialization interval. In one or more embodiments, the penalty metric includes a metric defined as the absolute value of the position difference between the end of the initialization interval and the start of the initialization interval. This metric measures the deviation of the position trajectory from the soft constraint of zero net motion of the inertial sensor. In one or more embodiments, the inertial sensor initial velocity estimate is set to zero and a penalty metric minimization is used to estimate the initial orientation of the sensor.

本発明の1つ又は複数の実施形態においては、ソフト制約は、慣性センサの位置及び速度が、初期化インターバル中において周期性を有するという要件を含む。1つ又は複数の実施形態においては、初期化インターバル中におけるレートジャイロデータの時系列の対応した軸上における離散フーリエ変換を使用してジャイロのそれぞれの軸ごとに周波数ドメイン信号を算出することにより、初期インターバル中における動きの優位周期の推定値が取得されている。それぞれの軸上における変換された周波数ドメイン信号のピークの大きさが算出され、且つすべての軸にまたがる最大ピークの大きさが取得される。この最大ピークの大きさが発生する周波数が、初期化インターバル中における動きの優位周波数として使用される。動きの優位周期は、優位周波数の逆数として算出される。1つ又は複数の実施形態においては、ペナルティ計測基準は、1つの動きの周期にわたる速度の変化の絶対値である速度ペナルティ計測基準と、1つの動きの周期にわたる位置の変化の絶対値である位置ペナルティ計測基準とを含む。長さが動きの優位周期に等しい状態で、初期化インターバル内の指定された期間が選択される。1つ又は複数の実施形態においては、最初に指定された期間にわたる速度ペナルティ計測基準を極小化することにより、センサの初期向きの推定値が算出され、且つ次いで予め算出された初期向きの推定値を使用して、指定された期間にわたる位置ペナルティ計測基準を極小化することにより、センサの初期速度の推定値が算出されている。   In one or more embodiments of the invention, the soft constraints include the requirement that the position and velocity of the inertial sensor have periodicity during the initialization interval. In one or more embodiments, calculating a frequency domain signal for each axis of the gyro using a discrete Fourier transform on the corresponding axis of the time series of rate gyro data during the initialization interval, An estimate of the dominant period of motion during the initial interval is acquired. The peak magnitude of the transformed frequency domain signal on each axis is calculated and the maximum peak magnitude across all axes is obtained. The frequency at which this maximum peak magnitude occurs is used as the dominant frequency of motion during the initialization interval. The dominant period of motion is calculated as the reciprocal of the dominant frequency. In one or more embodiments, the penalty metric is a velocity penalty metric that is the absolute value of the change in velocity over one movement period and a position that is the absolute value of the change in position over one movement period. Including penalty metrics. A specified period within the initialization interval is selected with a length equal to the dominant period of motion. In one or more embodiments, an initial orientation estimate is calculated and then a pre-calculated initial orientation estimate by minimizing a velocity penalty metric over a first specified period of time. Is used to minimize the position penalty metric over a specified period of time, thereby calculating an estimate of the initial velocity of the sensor.

本開示を通じて伝達される概念の上述の及びその他の態様、特徴、及び利点については、以下の添付図面との関連において提示される以下のその更に具体的な説明から更に明らかとなろう。   The foregoing and other aspects, features, and advantages of the concepts conveyed throughout this disclosure will become more apparent from the following more specific description thereof, presented in connection with the accompanying drawings in which:

慣性センサ装置の初期向きの推定値を生成するための方法における主要なステップを示す本発明の一実施形態のフローチャートを示す。Fig. 3 shows a flow chart of an embodiment of the present invention showing the main steps in a method for generating an initial orientation estimate of an inertial sensor device. 慣性センサからキャプチャされたデータ及び初期化インターバルの選択を示す図1のステップのうちの2つのステップの詳細図を示す。FIG. 2 shows a detailed view of two of the steps of FIG. 1 showing selection of data captured from the inertial sensor and an initialization interval. 位置及び速度に対するソフト制約の定義及びこれらのソフト制約からの逸脱用のペナルティ計測基準の定義を示す図1のステップのうちの更に2つのステップの詳細図を示す。FIG. 2 shows a detail view of two more of the steps of FIG. 1 showing the definition of soft constraints on position and velocity and the definition of penalty metrics for deviation from these soft constraints. 動きの微分方程式を積分すると共に結果的に得られる位置及び速度に対してペナルティ計測基準を適用することによって初期状態を算出する図1のフローチャートの最後のステップの一実施形態の詳細図を示す。FIG. 2 shows a detailed view of one embodiment of the last step of the flowchart of FIG. 1 that calculates the initial state by integrating a differential equation of motion and applying a penalty metric to the resulting position and velocity. ペナルティ計測基準が初期インターバルにわたる位置の変化から構成されると共に初期速度推定値がゼロに設定される方法の一実施形態を示す。FIG. 6 illustrates one embodiment of a method in which a penalty metric is comprised of a change in position over an initial interval and the initial velocity estimate is set to zero. 動きの式から初期向きを抽出することによって最適な初期向きを算出するための特定の技法を使用する方法の一実施形態を示す。FIG. 6 illustrates one embodiment of a method that uses a particular technique to calculate an optimal initial orientation by extracting the initial orientation from a motion equation. 初期向きの推定値の直接的な解を取得する方法の一実施形態を示す図6の技法を更に示す。FIG. 6 further illustrates the technique of FIG. 6 illustrating one embodiment of a method for obtaining a direct solution of an initial orientation estimate. 初期化インターバル中において周期的な運動を必要とするというソフト制約を位置及び速度に適用すると共に離散フーリエ変換を使用してこの周期的な動きの周期を推定する方法の一実施形態のフローチャートを示す。FIG. 6 illustrates a flowchart of one embodiment of a method for applying a soft constraint to a position and velocity that requires periodic motion during an initialization interval and estimating the period of this periodic motion using a discrete Fourier transform. . 周期性制約と、この周期性制約からの逸脱用のペナルティ計測基準の定義とを示す図8のステップのうちの2つのステップの詳細図を示す。FIG. 9 shows a detailed view of two of the steps of FIG. 8 showing the periodicity constraint and the definition of a penalty metric for deviation from this periodicity constraint. 初期化インターバル中における優位周期を算出するための離散フーリエ変換の使用法を示す図8のステップのうちの更に2つのステップの詳細図を示す。FIG. 9 shows a detailed view of two more of the steps of FIG. 8 illustrating the use of the discrete Fourier transform to calculate the dominant period during the initialization interval. 最初の最適な初期向きの推定値の算出と、これに後続する最適な初期速度の推定値の算出とを示す図8の最後の2つのステップの一実施形態の詳細図を示す。FIG. 9 shows a detailed view of one embodiment of the last two steps of FIG. 8 showing the calculation of the first optimal initial orientation estimate followed by the calculation of the optimal initial velocity estimate.

以下、慣性センサの初期向き及び初期速度の推定値を判定する方法について説明することとする。以下の例示用の説明においては、本明細書の全体を通じて記述されている概念の更に十分な理解を提供するため、多数の特定の詳細事項が記述されている。但し、当業者には、本明細書において記述されている概念の実施形態は、本明細書において記述されている特定の詳細事項のすべての態様を組み込むことなく実施されうることが明らかとなろう。その他の例においては、開示を不明瞭にしないように、当業者には周知の特定の態様の詳細な記述が省略されている。読者は、本発明の概念の例が本開示の全体を通じて記述されているが、請求項及び任意の均等物の範囲の全体が本発明を定義していることに留意されたい。   Hereinafter, a method of determining the initial value of the inertial sensor and the estimated value of the initial speed will be described. In the following illustrative description, numerous specific details are set forth in order to provide a more thorough understanding of the concepts described throughout the specification. However, it will be apparent to one skilled in the art that the embodiments of the concepts described herein may be practiced without incorporating all aspects of the specific details described herein. . In other instances, detailed descriptions of specific embodiments well known to those skilled in the art have been omitted so as not to obscure the disclosure. The reader should note that while example concepts of the invention have been described throughout this disclosure, the entire scope of the claims and any equivalents define the invention.

図1は、慣性センサの初期向き及び初期速度を判定するための方法の一実施形態のフローチャートを示している。101において、サンプルデータが、慣性センサからキャプチャされている。このサンプルデータは、キャプチャ時間インターバルにまたがる計測値の1つ又は複数の時系列から構成されており、この場合に、このキャプチャ時間インターバルは、対象の活動を含んでいる。102において、このキャプチャ時間インターバル内において、初期化インターバルが選択されている。この初期化インターバルは、初期向き及び初期速度の推定算出のために使用されることになる。103において、別個に、慣性センサの位置及び速度に対するソフト制約の組が定義されている。104において、ソフト制約からの算出された位置及び速度の逸脱を計測するペナルティ計測基準が定義されている。105において、ペナルティ計測基準を初期化インターバルにまたがって極小化することにより、初期向き及び初期速度の推定値を算出するため、初期化インターバルからのサンプルデータ及びペナルティ計測基準が使用されている。   FIG. 1 shows a flowchart of one embodiment of a method for determining an initial orientation and initial velocity of an inertial sensor. At 101, sample data is captured from an inertial sensor. This sample data consists of one or more time series of measurements across the capture time interval, where the capture time interval includes the activity of interest. At 102, an initialization interval is selected within this capture time interval. This initialization interval will be used to calculate the initial orientation and initial velocity. At 103, separately, a set of soft constraints on the position and velocity of the inertial sensor is defined. At 104, a penalty metric is defined for measuring deviations in calculated position and velocity from soft constraints. At 105, sample data from the initialization interval and the penalty metric are used to calculate an estimate of the initial orientation and initial velocity by minimizing the penalty metric across the initialization interval.

図2は、101におけるサンプルデータの収集ステップ及び102における初期化インターバルの選択ステップの詳細図を示している。101におけるサンプルデータの収集ステップにおいては、慣性センサデータが、開始時点203(t)及び終了時点204(t)を有するキャプチャ時間インターバル[t,t]にまたがって収集されている。一実施形態においては、慣性センサは、3軸加速度計と、3軸レートジャイロとを含む。その他の実施形態においては、例えば、磁力計からのデータ又はGPSレシーバからの場所データなどを含む異なるデータが利用可能であってもよい。3軸加速度計及び3軸レートジャイロを有する一実施形態においては、センサからキャプチャされたサンプルデータは、 FIG. 2 shows a detailed view of the sample data collection step 101 and the initialization interval selection step 102. In the sample data collection step at 101, inertial sensor data is collected over a capture time interval [t i , t f ] having a start time 203 (t i ) and an end time 204 (t f ). In one embodiment, the inertial sensor includes a 3-axis accelerometer and a 3-axis rate gyro. In other embodiments, different data may be available including, for example, data from a magnetometer or location data from a GPS receiver. In one embodiment having a 3-axis accelerometer and a 3-axis rate gyro, sample data captured from the sensor is:

Figure 0006147446
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と表記された時系列の加速度計データ201と、 Time-series accelerometer data 201 written as:

Figure 0006147446
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と表記された時系列のレートジャイロデータ202とを含む。 And time-series rate gyro data 202 expressed as:

Figure 0006147446
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及び as well as

Figure 0006147446
Figure 0006147446

のボールド体の表記は、これらが、(通常は、3次元空間における)ベクトル量であることを示しているが、図示を目的として、これらの値は、曲線201及び202において1次元のものとして示されている。加速度計データの表記 The boldface notation indicates that these are vector quantities (usually in three-dimensional space), but for purposes of illustration, these values are assumed to be one-dimensional in curves 201 and 202. It is shown. Accelerometer data notation

Figure 0006147446
Figure 0006147446

は、通常の加速度計が、真の加速度ではなく、特定の力を計測しているという事実を反映している。レートジャイロデータの表記 Reflects the fact that normal accelerometers measure specific forces, not true accelerations. Notation of rate gyro data

Figure 0006147446
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は、通常のレートジャイロが角速度を計測していることを示している。 Indicates that a normal rate gyro measures the angular velocity.

図2において、初期化インターバル205は、キャプチャインターバル[t,t]内において選択されている。初期化インターバル[t,t]⊂[t,t]は、開始点206(t)及び終了点207(t)を有する。初期化インターバルは、対象のイベントの特性に応じた様々な基準に基づいて、キャプチャインターバル内において選択されうる。例えば、1つ又は複数の実施形態においては、初期化インターバルは、キャプチャインターバルの開始における固定された秒数から構成されてもよい。その他の実施形態においては、初期化インターバルは、相対的に低調な動き又は活動を通知するシグネチャについてキャプチャインターバルをサーチすることにより、動的に判定されてもよい。初期化インターバル205が選択されたら、初期化インターバルにわたる加速度計データ208及びジャイロデータ209が、後述する初期向き及び初期速度の推定のために使用される。 In FIG. 2, the initialization interval 205 is selected within the capture interval [t i , t f ]. The initialization interval [t 0 , t n ] ⊂ [t i , t f ] has a start point 206 (t 0 ) and an end point 207 (t n ). The initialization interval can be selected within the capture interval based on various criteria depending on the characteristics of the event of interest. For example, in one or more embodiments, the initialization interval may consist of a fixed number of seconds at the start of the capture interval. In other embodiments, the initialization interval may be determined dynamically by searching the capture interval for signatures that signal relatively sluggish movement or activity. Once the initialization interval 205 is selected, the accelerometer data 208 and gyro data 209 over the initialization interval are used for initial orientation and initial velocity estimation described below.

図3は、ソフト制約を定義するステップ103及びペナルティ計測基準を定義するステップ104の詳細図を示している。   FIG. 3 shows a detailed view of step 103 for defining soft constraints and step 104 for defining penalty metrics.

Figure 0006147446
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と表記された慣性センサの位置軌跡301及び Inertial sensor position trajectory 301 and

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と表記された慣性センサの速度軌跡305は、対象の活動において代表的な特定のパターンにほぼ準拠すると予想されている。一般に、慣性センサの位置及び速度は、3次元空間におけるベクトル量であるが、図示を目的として、これらは、図3においては、1次元の値として示されている。位置及び速度について予想される特定のパターンは、対象の特定の1つ又は複数の活動に依存することになる。一般に、位置及び速度に対するソフト制約Cは、初期化インターバルにわたる位置及び速度の可能な軌跡のサブセット It is expected that the inertial sensor velocity trajectory 305, denoted as ## EQU1 ## approximately conforms to a particular pattern typical of the subject's activity. In general, the position and velocity of the inertial sensor are vector quantities in a three-dimensional space, but for purposes of illustration, these are shown as one-dimensional values in FIG. The particular pattern expected for position and velocity will depend on the particular activity or activities of the subject. In general, soft constraints C i on position and velocity are a subset of possible trajectories of position and velocity over the initialization interval.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

として表すことができる。本発明の一実施形態は、これらのソフト制約の組{C}を含んでもよい。図3は、例示的な制約302及び306を示している。これらは、例示を目的とした例に過ぎず、その他の実施形態は、その他のタイプ及び数のソフト制約を含むことになる。Cと表記されたソフト制約302は、位置軌跡301に対する制約である。この制約は、位置 Can be expressed as An embodiment of the present invention may include a set of these soft constraints {C i }. FIG. 3 illustrates exemplary constraints 302 and 306. These are only examples for purposes of illustration, and other embodiments will include other types and numbers of soft constraints. Soft constraints 302, labeled C R is a constraint on the position trajectory 301. This constraint is

Figure 0006147446
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が、対象の時間インターバルの全体を通じて、上限303及び下限304内に留まることを必要としている。Cと表記されたソフト制約306は、速度軌跡305に対する制約である。制約306は、軌跡の終了点においてのみ、適用されるものであり、この終了点において、速度がCによって定義された限度内に位置することを必要としている。これらの例示的なソフト制約302及び306は、可能なソフト制約のタイプの単純な例を示すものであり、その他の実施形態は、位置、速度、又はこれらの両方に対する更に複雑な制約を含んでもよい。 Is required to stay within the upper limit 303 and the lower limit 304 throughout the time interval of interest. A soft constraint 306 written as CV is a constraint on the velocity trajectory 305. The constraint 306 applies only at the end of the trajectory, which requires the speed to be within the limits defined by CV . These exemplary soft constraints 302 and 306 illustrate simple examples of the types of possible soft constraints, and other embodiments may include more complex constraints on position, velocity, or both. Good.

図3の104において、103において定義されたソフト制約からの位置及び速度軌跡の逸脱を定量化するため、ペナルティ計測基準が定義されている。   In 104 of FIG. 3, a penalty metric is defined to quantify the deviation of the position and velocity trajectory from the soft constraints defined in 103.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と表記された計測又は算出された位置307は、ソフト制約302を充足してはいない。mと表記されたペナルティ計測基準308は、ソフト制約からの The measured or calculated position 307 written as “does not satisfy the soft constraint 302. penalty measurement reference 308, labeled m R is from soft constraint

Figure 0006147446
Figure 0006147446

の逸脱を計測する。例示を目的として、ペナルティ計測基準mは、ソフト制約によって課された限度からの位置の最大絶対逸脱として定義されている。その他の実施形態は、異なるペナルティ計測基準を定義してもよく、例えば、一実施形態は、図3に示されている最大逸脱ではなく、ソフト制約の限度からの位置の平均絶対逸脱を使用しうるであろう。速度ペナルティ計測基準の図は、位置ペナルティ計測基準の図に類似している。 Measure deviations. For illustrative purposes, the penalty metric m R is defined as the maximum absolute deviation of the position from the limit imposed by the soft constraints. Other embodiments may define different penalty metrics, for example, one embodiment uses the average absolute deviation of the position from the soft constraint limit rather than the maximum deviation shown in FIG. It will be possible. The speed penalty metric diagram is similar to the position penalty metric diagram.

Figure 0006147446
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と表記された計測又は算出された速度309は、ソフト制約306を充足してはいない。mと表記されたペナルティ計測基準310は、ソフト制約からの The measured or calculated speed 309 written as “does not satisfy the soft constraint 306. penalty measurement reference 310, labeled m V is from soft constraint

Figure 0006147446
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の逸脱を計測する。例示を目的として、ペナルティ計測基準mは、ソフト制約によって課された限度からの速度の絶対逸脱として定義されている。例示的な速度ソフト制約306は、時間インターバルの終了点においてのみ適用されることから、速度ペナルティ計測基準310も、同様に、この終了点においてのみ、制約からの逸脱を計測する。位置ペナルティ計測基準と同様に、この速度ペナルティ計測基準も一例に過ぎない。その他の実施形態は、異なるペナルティ計測基準を定義してもよく、例えば、一実施形態は、図3に示されている逸脱の絶対値ではなく、ソフト制約の限度からの速度の絶対逸脱の二乗を使用してもよいであろう。 Measure deviations. For illustrative purposes, the penalty measurement reference m V is defined as the absolute deviation of the velocity from the limits imposed by the software constraints. Since the exemplary speed soft constraint 306 applies only at the end of the time interval, the speed penalty metric 310 similarly measures the deviation from the constraint only at this end point. Similar to the position penalty measurement standard, this speed penalty measurement standard is only an example. Other embodiments may define different penalty metrics, for example, one embodiment is not the absolute value of the deviation shown in FIG. 3 but the square of the absolute deviation of the velocity from the soft constraint limit. Could be used.

図4は、105において、ペナルティ計測基準を極小化するため、初期向き及び初期速度を算出するステップの詳細図を示している。   FIG. 4 shows a detailed view of the steps for calculating the initial orientation and initial velocity at 105 to minimize the penalty measurement criteria.

Figure 0006147446
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と表記された加速度計データ208及び Accelerometer data 208 and

Figure 0006147446
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と表記されたレートジャイロデータ209は、計算手順に対する入力である。これらの軌跡は、初期化インターバル[t,t]にわたって利用可能である。これらの入力が付与され、且つセンサの向き(Q)及び速度 The rate gyro data 209 written as is an input to the calculation procedure. These trajectories are available over the initialization interval [t 0 , t n ]. Given these inputs, the sensor orientation (Q 0 ) and speed

Figure 0006147446
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に関する初期状態402が付与された場合に、位置軌跡307 When the initial state 402 is given, the position locus 307

Figure 0006147446
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及び速度軌跡309 And velocity trajectory 309

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を取得するために微分方程式401を解くことができる。微分方程式401は、向きQ(t)、速度 To obtain the differential equation 401. The differential equation 401 has a direction Q (t), speed

Figure 0006147446
Figure 0006147446

及び位置 And position

Figure 0006147446
Figure 0006147446

の時間導関数を観察された計測値 Observed measurement of time derivative of

Figure 0006147446
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及び as well as

Figure 0006147446
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に対して関係付ける同時式の組である。これらの微分方程式は、当業者には周知であり、これらは、ストラップダウン慣性センサを使用した慣性ナビゲーション用の式の一形態である。401における表記 Is a set of simultaneous expressions related to. These differential equations are well known to those skilled in the art, and are a form of equation for inertial navigation using strapdown inertial sensors. Notation in 401

Figure 0006147446
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は、 Is

Figure 0006147446
Figure 0006147446

によって定義された線形演算子Sを示しており、ここで、×は、ベクトルのクロス積である。 Shows the linear operator S defined by: where x is the cross product of the vectors.

105の計算において、初期状態402は、推定対象の未知の量として取り扱われている。これらの初期状態のそれぞれの推定値は、位置及び速度の軌跡307及び309の特定のペアをもたらす。次いで、これらの算出された軌跡に対して、ペナルティ計測基準308及び310が適用される。これらのペナルティ計測基準は、ソフト制約からの算出された軌跡の逸脱の集合的な尺度を生成する。本発明の異なる実施形態は、ペナルティ計測基準の加算、又は最初に1つの計測基準の極小化及びそれに後続するその他の計測基準の極小化などの、ペナルティ計測基準の組をソフト制約の逸脱の集合的な尺度に組み合わせるための様々な技法を利用してもよい。403において、観察されたペナルティ計測基準308及び310を極小化するために初期状態が調節されている。この調節プロセスは、ペナルティ計測基準を極小化する初期状態を求めるため、図4に示されているように反復的なものであってもよい。ペナルティ計測基準を極小化する初期状態を見出すため、目的関数の極小化のための任意の既知の技法が使用されてもよい。このような技法は、当業者には周知である。選択された極小化技法を適用した後に、105における計算により、初期向きの推定値用の   In the calculation of 105, the initial state 402 is treated as an unknown quantity to be estimated. Each estimate of these initial states yields a specific pair of position and velocity trajectories 307 and 309. Penalty metrics 308 and 310 are then applied to these calculated trajectories. These penalty metrics generate a collective measure of the deviation of the calculated trajectory from the soft constraints. Different embodiments of the present invention provide a set of penalty metrics, such as adding a penalty metric, or minimizing one metric first and then minimizing the other metric, to a set of soft constraint deviations. Various techniques may be used to combine to a common scale. At 403, the initial state is adjusted to minimize the observed penalty metrics 308 and 310. This adjustment process may be iterative as shown in FIG. 4 to determine an initial state that minimizes the penalty metric. Any known technique for minimizing the objective function may be used to find an initial state that minimizes the penalty metric. Such techniques are well known to those skilled in the art. After applying the selected minimization technique, the calculation at 105 yields an initial orientation estimate

Figure 0006147446
Figure 0006147446

及び初期速度推定値用の And for initial speed estimates

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と表記された初期状態404の推定値がもたらされる。 Is an estimate of the initial state 404 labeled.

図5は、初期化インターバル中における慣性センサの最小運動の予想を反映した位置軌跡用の特定のソフト制約を有する本発明の一実施形態を示している。このタイプのソフト制約は、例えば、人物又は装置が、活動の開始の前に、相対的に静的である活動に対して適用されうるであろう。図5は、図4の手順が、このタイプの実施形態に対して変更及び専用化される方式を示している。図4と同様に、加速度計データ208及びジャイロデータ209が、初期状態402と共に、微分方程式401の積分への入力であり、これにより、位置軌跡307が得られる。図5に示されている実施形態においては、位置ペナルティ計測基準502は、初期化インターバルにまたがる位置の正味の変化の大きさ   FIG. 5 illustrates one embodiment of the present invention with specific soft constraints for the position trajectory that reflects the expected minimum motion of the inertial sensor during the initialization interval. This type of soft constraint could be applied, for example, to an activity where a person or device is relatively static before the start of the activity. FIG. 5 illustrates the manner in which the procedure of FIG. 4 is modified and specialized for this type of embodiment. Similar to FIG. 4, the accelerometer data 208 and the gyro data 209 are input to the integral of the differential equation 401 together with the initial state 402, thereby obtaining a position locus 307. In the embodiment shown in FIG. 5, the position penalty metric 502 is the magnitude of the net change in position across the initialization interval.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

として定義されている。このペナルティ計測基準は、位置軌跡が、初期化インターバル中において、どれほど近接した状態において、センサのゼロの正味の運動というソフト制約に準拠しているかを計測する。その他の実施形態は、この逸脱を計測するため、開始位置から初期化インターバルにわたる位置の最大変化などの異なるペナルティ計測基準を使用してもよいであろう。図5に示されている実施形態においては、初期速度推定値を Is defined as This penalty metric measures how close the position trajectory is during the initialization interval and conforms to the soft constraint of zero sensor net movement. Other embodiments may use different penalty metrics, such as maximum change in position over the initialization interval from the starting position, to measure this deviation. In the embodiment shown in FIG. 5, the initial speed estimate is

Figure 0006147446
Figure 0006147446

に設定することにより、更なる単純化501が初期状態に対して適用されている。この単純化は、この場合にも、初期化インターバル中における相対的にわずかな動きの予想を反映している。その他の実施形態は、初期速度に関する異なる仮定を利用してもよいであろう。従って、初期化ステップ503は、位置ペナルティ計測基準502 By setting to, further simplification 501 is applied to the initial state. This simplification again reflects the expectation of relatively little movement during the initialization interval. Other embodiments may utilize different assumptions regarding the initial speed. Accordingly, the initialization step 503 includes the position penalty metric 502.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を極小化し、これにより、 To minimize,

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と表記された初期向きの推定値504をもたらすために初期向きQのみを調節している。 Only the initial orientation Q 0 is adjusted to yield an initial orientation estimate 504 labeled.

図6は、初期向き及び初期速度の入力402及びセンサデータ208及び209を使用することにより、微分方程式401を積分するため、本発明の1つ又は複数の実施形態において適用されうる技法を示している。この技法においては、最初に微分方程式601が別個に解かれている。この式   FIG. 6 illustrates a technique that can be applied in one or more embodiments of the present invention to integrate the differential equation 401 by using the initial orientation and initial velocity inputs 402 and sensor data 208 and 209. Yes. In this technique, the differential equation 601 is first solved separately. This formula

Figure 0006147446
Figure 0006147446

は、603において、補助変数Pを定義することによって解かれており、ここで、Q=QPである。この置換は、初期条件P(0)=Iを有する式 Is solved at 603 by defining an auxiliary variable P, where Q = Q 0 P. This substitution is a formula with the initial condition P (0) = I

Figure 0006147446
Figure 0006147446

(ここで、Iは、単位行列である)をもたらす。この式は、初期向きQに対する依存性を伴うことなしに、P(t)について直接的に解くことができる(大部分のケースにおいて、P(t)は、数値積分によって算出されることになり、その理由は、閉形式解が存在しない可能性が高いからである)。第2に、入力604として、603において算出されたP(t)の値を使用することにより、残りの微分方程式602を解くことができる。これらの2つの式は、605において積分され、これにより、以下の位置及び速度の式がもたらされる。 Where I is the identity matrix. This equation can be solved directly for P (t) without any dependence on the initial orientation Q 0 (in most cases, P (t) is calculated by numerical integration. And the reason is that there is a high probability that no closed-form solution exists). Second, the remaining differential equation 602 can be solved by using the value of P (t) calculated at 603 as the input 604. These two equations are integrated at 605, resulting in the following position and velocity equations:

Figure 0006147446
Figure 0006147446

及び as well as

Figure 0006147446
Figure 0006147446

1つ又は複数の実施形態においては、ペナルティ計測基準を極小化する初期状態402を算出するためにこれらの式が使用されている。 In one or more embodiments, these equations are used to calculate an initial state 402 that minimizes the penalty metric.

図7は、特定の位置ペナルティ計測基準502   FIG. 7 shows a specific position penalty metric 502.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と共に605の式を使用してペナルティ計測基準を極小化する初期向きQを直接的に算出するため、1つ又は複数の実施形態において使用される技法を示している。 And a technique used in one or more embodiments to directly calculate the initial orientation Q 0 that minimizes the penalty metric using the equation of 605.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

という単純化501を使用することにより、且つ701において補助変数 By using the simplification 501 and the auxiliary variable at 701

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を定義することにより、式 By defining

Figure 0006147446
Figure 0006147446

が得られ、ここで、 Where

Figure 0006147446
Figure 0006147446

である。
この式は、初期向きの値
It is.
This expression is an initial value

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と共に、702において図式化されている。Qは、直交変換であることから、可能な値 Together with the diagram at 702. Q 0 is an orthogonal transformation, so possible values

Figure 0006147446
Figure 0006147446

の範囲は、半径 Range of radius

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を有する球体上に位置しなければならない。この球体の2次元の図が、円703として示されている。 Must be located on a sphere with A two-dimensional view of this sphere is shown as circle 703.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

から From

Figure 0006147446
Figure 0006147446

への回転が、704において示されており、すべてのケースにおいて、 Rotation to is shown at 704, and in all cases,

Figure 0006147446
Figure 0006147446

は、703上に位置している。従って、 Is located on 703. Therefore,

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を極小化するためには、 In order to minimize

Figure 0006147446
Figure 0006147446

が、 But,

Figure 0006147446
Figure 0006147446

の方向を指し示し、これにより、705において、最適な値706及び最小の , So that at 705 the optimal value 706 and the minimum

Figure 0006147446
Figure 0006147446

をもたらすはずであることが幾何学的に明らかである。この技法は、 It is geometrically clear that it should lead to This technique is

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を中心とした任意の回転までの最適な Optimal up to any rotation around

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を提供するものに過ぎず、これは、純粋な慣性センサが、方位を検知することができないことを反映している。本発明のその他の実施形態においては、初期方位を推定するため、磁力計データなどのその他のセンサデータが同様に使用されてもよい。 This reflects that the pure inertial sensor cannot detect the orientation. In other embodiments of the invention, other sensor data, such as magnetometer data, may be used as well to estimate the initial orientation.

図8は、慣性センサの動きが、初期化インターバル中においてほぼ周期性を有することを要するソフト制約を使用した本発明の一実施形態におけるフローチャートを示している。ソフト制約の定義103は、初期化インターバル中において慣性センサの速度及び位置用の周期性制約を定義するステップ805を含む。周期性ソフト制約に対応した状態において、ペナルティ計測基準の定義104は、806において、ペナルティ計測基準として、単一の周期にわたる位置の変化及び速度の変化を計測する計測基準を含む。102において、初期化インターバルが選択されており、且つ801において、このインターバル中における動きの周期の推定値が算出されている。この周期の計算は、802において、離散フーリエ変換を介して時系列のセンサジャイロデータを周波数ドメインに変換し、且つ803において、変換されたデータから優位周波数を選択することによって実行される。804において、周期に等しい長さの初期化インターバル内における特定の時間インターバルが選択されている。ペナルティ計測基準806は、最初に807において、速度ペナルティ計測基準を極小化するために初期向き推定値が算出され、且つ次いで808において、位置ペナルティ計測基準を極小化するために初期速度推定値が算出されるという2つの段階において、105において極小化されている。本発明のその他の実施形態は、これらの技法のサブセットを利用してもよく、例えば、同一の速度及び位置ペナルティ計測基準を使用することもできるが、動きの周期を推定するために、フーリエ変換の代わりに時間ドメイン技法を使用することもできよう。   FIG. 8 shows a flowchart in one embodiment of the present invention using a soft constraint that requires the inertial sensor motion to be approximately periodic during the initialization interval. Soft constraint definition 103 includes defining 805 periodic constraints for inertial sensor velocity and position during the initialization interval. In a state corresponding to the periodicity soft constraint, the penalty metric definition 104 includes a metric that measures a change in position and velocity over a single period at 806 as a penalty metric. At 102, an initialization interval is selected, and at 801, an estimate of the period of motion during this interval is calculated. This period calculation is performed by converting the time-series sensor gyro data to the frequency domain via a discrete Fourier transform at 802 and selecting a dominant frequency from the converted data at 803. At 804, a particular time interval within an initialization interval of length equal to the period is selected. Penalty measurement standard 806 first calculates an initial orientation estimate to minimize the speed penalty measurement standard at 807, and then calculates initial speed estimate to minimize the position penalty measurement standard at 808. It is minimized at 105 in two stages. Other embodiments of the invention may utilize a subset of these techniques, for example, the same velocity and position penalty metric may be used, but in order to estimate the period of motion, a Fourier transform A time domain technique could be used instead of.

図9は、周期性ソフト制約の定義ステップ805及び位置及び速度ペナルティ計測基準の定義ステップ806の詳細図を提供している。805において、ソフト制約は、(   FIG. 9 provides a detailed view of the periodicity soft constraint definition step 805 and the position and velocity penalty metric definition step 806. At 805, the soft constraint is (

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と表記された)位置901及び( Position 901 and (

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と表記された)速度903が、(Tと表記された)なんらかの期間903を伴う周期性を有することを必要としている。これらのソフト制約は、周期的な動きを必要とするのみであり、位置及び速度曲線の周期又は形状を規定してはいない。806において、算出された位置904及び算出された速度906は、正確な周期性を有してはいない。位置ペナルティ計測基準905は、1つの周期にわたる位置の変化の絶対値 Need to have a periodicity with some period 903 (denoted as T). These soft constraints only require periodic movement and do not define the period or shape of the position and velocity curves. At 806, the calculated position 904 and the calculated velocity 906 do not have accurate periodicity. The position penalty metric 905 is the absolute value of the change in position over one period.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

として、正確な周期性からの逸脱を計測する。同様に、速度ペナルティ計測基準907も、1つの周期にわたる速度の変化の絶対値 Measure the deviation from the exact periodicity. Similarly, the speed penalty metric 907 is also the absolute value of the change in speed over one period.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

として、正確な周期性からの逸脱を計測する。 Measure the deviation from the exact periodicity.

図10は、動きの周期の計算ステップ801の詳細図を提供している。ジャイロのx軸のωの時系列1001と、ω及びωの類似の時系列とを含む初期化インターバル中における時間ドメインのレートジャイロデータ FIG. 10 provides a detailed view of the motion period calculation step 801. Time domain rate gyro data during an initialization interval including time series 1001 of ω x on the x-axis of the gyro and similar time series of ω y and ω z

Figure 0006147446
Figure 0006147446

が、離散フーリエ変換を使用して周波数ドメインに変換されている。|Ω|と表記された変換されたωの大きさ1002が、そのピーク値についてスキャニングされている。ピーク値1003が周波数1004において発生している。これらの軸上におけるピーク値と、これらのピーク値が発生する周波数とを見出すため、大きさ|Ω|及び|Ω|の類似のスキャニングが実行されている。1005において、3つの軸にまたがる最大のピークの大きさが選択されており(例示を目的として、z軸上において示されている)、且つこのピークが発生するfmaxと表記された周波数1006が、初期化の際の動きの全体的な優位周波数として使用されている。次いで、1007において、優位周期が、T=1/fmaxとして算出されている。 Has been transformed to the frequency domain using a discrete Fourier transform. The transformed ω x magnitude 1002 labeled | Ω x | is scanned for its peak value. A peak value 1003 occurs at frequency 1004. Similar scanning of magnitude | Ω y | and | Ω z | has been performed to find the peak values on these axes and the frequencies at which these peak values occur. At 1005, the maximum peak size across the three axes has been selected (shown on the z-axis for illustrative purposes), and the frequency 1006, denoted f max , at which this peak occurs is It is used as the overall dominant frequency of movement during initialization. Next, at 1007, the dominant period is calculated as T = 1 / f max .

図11は、807における初期向きの推定値の計算ステップ及び808における初期速度の推定値の計算ステップの詳細図を提供している。[t,t+T]と表記された804において見出された長さTのインターバル1101が計算のために使用されている。ペナルティ計測基準905及び907が順番に極小化されている。上述の及び図6において示されている技法を使用することにより、式1102が取得され、これにより、速度ペナルティ計測基準について、次式 FIG. 11 provides a detailed view of the initial orientation estimate calculation step at 807 and the initial velocity estimate calculation step at 808. An interval 1101 of length T found at 804 labeled [t 1 , t 1 + T] is used for the calculation. Penalty measurement standards 905 and 907 are minimized in order. By using the technique described above and shown in FIG. 6, equation 1102 is obtained, which results in the following equation for the velocity penalty metric:

Figure 0006147446
Figure 0006147446

が得られる。図7に示されている幾何学的な技法を使用することにより、又は数値的最適化用の任意のその他の周知の技法を使用することにより、この式を極小化することにより、初期向きの推定値 Is obtained. By minimizing this expression by using the geometric technique shown in FIG. 7 or by using any other well-known technique for numerical optimization, Estimated value

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を得ることができる。初期向きの推定値1103が、808における後続の計算において使用されている。この場合にも、式1104を得るため、図6に示されている積分技法が使用され、これにより、次式 Can be obtained. The initial estimate 1103 is used in subsequent calculations at 808. Again, to obtain Equation 1104, the integration technique shown in FIG. 6 is used, which results in

Figure 0006147446
Figure 0006147446

が得られる。ここで、この式は、単一の未知の Is obtained. Where this equation is a single unknown

Figure 0006147446
Figure 0006147446

にのみ依存しており、その理由は、 Depends only on the reason,

Figure 0006147446
Figure 0006147446

が予め算出されているからである。ここで、数値的最適化用の任意の周知の既知の技法を使用することにより、この This is because is calculated in advance. Here, this can be achieved by using any well-known technique for numerical optimization.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

の式を極小化することにより、初期速度の推定値 Estimated initial speed by minimizing

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を得ることができる。 Can be obtained.

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。   Hereinafter, preferable embodiments of the present invention will be described in terms of items.

実施形態1
慣性センサの初期向きQ及び初期速度
Embodiment 1
Inertial sensor initial orientation Q 0 and initial speed

Figure 0006147446
Figure 0006147446

の推定値を判定する方法において、
対象の活動を含むキャプチャ時間インターバル[t,t]にわたって慣性センサからサンプルデータを収集するステップであって、前記サンプルデータは、加速度データ
In a method for determining an estimate of
Collecting sample data from the inertial sensor over a capture time interval [t i , t f ] that includes the activity of interest, the sample data comprising acceleration data

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と、レートジャイロデータ And rate gyro data

Figure 0006147446
Figure 0006147446

とを含む、ステップと、
前記キャプチャ時間インターバル内において初期化インターバル[t,t]⊂[t,t]を選択するステップと、
前記初期化インターバル中における前記慣性センサの位置
Including steps, and
Selecting an initialization interval [t 0 , t n ] ⊂ [t i , t f ] within the capture time interval;
Position of the inertial sensor during the initialization interval

Figure 0006147446
Figure 0006147446

及び速度 And speed

Figure 0006147446
Figure 0006147446

に対するソフト制約{C}を定義するステップであって、それぞれ Defining soft constraints {C i } for

Figure 0006147446
Figure 0006147446

であり、前記ソフト制約は、前記初期化インターバル中における前記対象の活動の位置及び速度軌跡の代表的なパターンの近似を表している、ステップと、
前記ソフト制約{C}からの前記位置
The soft constraint represents an approximation of a representative pattern of the position and velocity trajectory of the subject's activity during the initialization interval; and
The position from the soft constraint {C i }

Figure 0006147446
Figure 0006147446

及び前記速度 And the speed

Figure 0006147446
Figure 0006147446

の算出された軌跡の逸脱を定量化するためのペナルティ計測基準 Penalty metrics for quantifying deviations in calculated trajectories

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を定義するステップと、
前記初期向き及び初期速度が、結合された微分方程式
A step of defining
The initial orientation and initial velocity are combined differential equations

Figure 0006147446
Figure 0006147446

を介して、前記初期化インターバルにわたって、前記サンプルデータを向き、位置、及び速度に積分するために初期状態として使用される際に、前記ペナルティ計測基準を極小化するため、前記初期化インターバルの開始における前記慣性センサの前記初期向きQ=Q(t)及び初期速度 Via the initialization interval to minimize the penalty metric when used as an initial state to integrate the sample data into orientation, position, and velocity over the initialization interval. The initial orientation Q 0 = Q (t 0 ) and initial velocity of the inertial sensor at

Figure 0006147446
Figure 0006147446

の推定値を算出するステップと
を含むことを特徴とする、方法。
Calculating an estimated value of the method.

実施形態2
前記ソフト制約のうちに、前記初期化インターバルの開始と終了との間における位置の変化がゼロである、即ち、
Embodiment 2
Among the soft constraints, the change in position between the start and end of the initialization interval is zero, i.e.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

であるという要件を含めるステップと、
前記初期速度の推定値をゼロに設定する、即ち、
Including a requirement to be
Set the initial speed estimate to zero, i.e.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

に設定するステップと、
前記ペナルティ計測基準のうちに、前記初期化インターバルの前記終了と前記初期化インターバルの前記開始との間における位置の差の絶対値を含める、即ち、
Step to set to
Include in the penalty metric the absolute value of the position difference between the end of the initialization interval and the start of the initialization interval, i.e.

Figure 0006147446
Figure 0006147446

とするステップと
を更に含むことを特徴とする、実施形態1に記載の方法。
The method of embodiment 1, further comprising the step of:

実施形態3
ソフト制約のうちに、前記慣性センサの前記位置及び速度が、前記初期化インターバル中において周期性を有するという要件を含めるステップと、
前記初期化インターバル中におけるレートジャイロデータの時系列の対応する軸に対して離散フーリエ変換を適用することにより、前記レートジャイロのそれぞれの軸ごとに周波数ドメイン信号Ω(f)=DFT(ω(t))、Ω(f)=DFT(ω(t))、Ω(f)=DFT(ω(t))を算出するステップと、
優位周波数fmaxを3つの軸にまたがる最大の変換の大きさを有する周波数fmax=argmax(max(|Ω(f)|,|Ω(f)|,|Ω(f)|))として選択し、且つ前記優位周波数から、T=1/fmaxとして優位周期Tを算出するステップと、
前記ペナルティ計測基準のうちに、動きの1つの周期にわたる前記速度の変化の絶対値である速度ペナルティ計測基準
Embodiment 3
Including, among soft constraints, a requirement that the position and velocity of the inertial sensor have periodicity during the initialization interval;
By applying a discrete Fourier transform to the corresponding axis of the time series of rate gyro data during the initialization interval, a frequency domain signal Ω x (f) = DFT (ω x for each axis of the rate gyro. (T)), Ω y (f) = DFT (ω y (t)), Ω z (f) = DFT (ω z (t));
The frequency f max = argmax (max (| Ω x (f) |, | Ω y (f) |, | Ω z (f) |) having the maximum transformation magnitude across the three axes with the dominant frequency f max ) And calculating the dominant period T from the dominant frequency as T = 1 / f max ;
Among the penalty measurement standards, a speed penalty measurement standard that is an absolute value of the change in speed over one period of movement

Figure 0006147446
Figure 0006147446

と、動きの1つの周期にわたる前記位置の変化の絶対値である位置ペナルティ計測基準 And a position penalty metric that is the absolute value of the change in position over one period of motion

Figure 0006147446
Figure 0006147446

とを含めるステップと、
前記初期速度及び初期向きの推定値の計算のために、前記初期化インターバル内において指定された期間を選択する、即ち、[t,t+T]⊂[t,t]とするステップと、
前記指定された期間にわたる前記速度ペナルティ計測基準を極小化することにより、前記初期向きの推定値を算出するステップと、
前記初期向きの推定値を使用して、前記指定された期間にわたる前記位置ペナルティ計測基準を極小化することにより、前記初期速度の推定値を算出するステップと
を更に含むことを特徴とする、実施形態1に記載の方法。
Including a step, and
For the calculation of the initial velocity and the initial direction estimate, the period specified in the initialization interval is selected, ie, [t 1 , t 1 + T] ⊂ [t 0 , t n ]. When,
Calculating the initial orientation estimate by minimizing the speed penalty metric over the specified period;
Calculating the initial velocity estimate by minimizing the position penalty metric over the specified time period using the initial orientation estimate. The method according to aspect 1.

Claims (3)

慣性センサの初期向きQ及び初期速度
Figure 0006147446
の推定値を判定する方法において、
対象の活動を含むキャプチャ時間インターバル[t,t]にわたって慣性センサからサンプルデータを収集するステップであって、前記サンプルデータは、加速度データ
Figure 0006147446
と、レートジャイロデータ
Figure 0006147446
とを含む、ステップと、
前記キャプチャ時間インターバル内において初期化インターバル[t,t]⊂[t,t]を選択するステップと、
前記初期化インターバル中における前記慣性センサの位置
Figure 0006147446
及び速度
Figure 0006147446
に対するソフト制約{C}を定義するステップであって、それぞれ
Figure 0006147446
であり、前記ソフト制約は、前記初期化インターバル中における前記対象の活動の位置及び速度軌跡の代表的なパターンの近似を表している、ステップと、
前記ソフト制約{C}からの前記位置
Figure 0006147446
及び前記速度
Figure 0006147446
の算出された軌跡の逸脱を定量化するためのペナルティ計測基準
Figure 0006147446
を定義するステップと、
前記初期向き及び初期速度が、結合された微分方程式
Figure 0006147446
を介して、前記初期化インターバルにわたって、前記サンプルデータを向き、位置、及び速度に積分するために初期状態として使用される際に、前記ペナルティ計測基準を極小化するため、前記初期化インターバルの開始における前記慣性センサの前記初期向きQ=Q(t)及び初期速度
Figure 0006147446
の推定値を算出するステップと
を含むことを特徴とする、方法。
Inertial sensor initial orientation Q 0 and initial speed
Figure 0006147446
In a method for determining an estimate of
Collecting sample data from the inertial sensor over a capture time interval [t i , t f ] that includes the activity of interest, the sample data comprising acceleration data
Figure 0006147446
And rate gyro data
Figure 0006147446
Including steps, and
Selecting an initialization interval [t 0 , t n ] ⊂ [t i , t f ] within the capture time interval;
Position of the inertial sensor during the initialization interval
Figure 0006147446
And speed
Figure 0006147446
Defining soft constraints {C i } for
Figure 0006147446
The soft constraint represents an approximation of a representative pattern of the position and velocity trajectory of the subject's activity during the initialization interval; and
The position from the soft constraint {C i }
Figure 0006147446
And the speed
Figure 0006147446
Penalty metrics for quantifying deviations in calculated trajectories
Figure 0006147446
A step of defining
The initial orientation and initial velocity are combined differential equations
Figure 0006147446
Via the initialization interval to minimize the penalty metric when used as an initial state to integrate the sample data into orientation, position, and velocity over the initialization interval. The initial orientation Q 0 = Q (t 0 ) and initial velocity of the inertial sensor at
Figure 0006147446
Calculating an estimated value of the method.
前記ソフト制約のうちに、前記初期化インターバルの開始と終了との間における位置の変化がゼロである、即ち、
Figure 0006147446
であるという要件を含めるステップと、
前記初期速度の推定値をゼロに設定する、即ち、
Figure 0006147446
に設定するステップと、
前記ペナルティ計測基準のうちに、前記初期化インターバルの前記終了と前記初期化インターバルの前記開始との間における位置の差の絶対値を含める、即ち、
Figure 0006147446
とするステップと
を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
Among the soft constraints, the change in position between the start and end of the initialization interval is zero, i.e.
Figure 0006147446
Including a requirement to be
Set the initial speed estimate to zero, i.e.
Figure 0006147446
Step to set to
Include in the penalty metric the absolute value of the position difference between the end of the initialization interval and the start of the initialization interval, i.e.
Figure 0006147446
The method of claim 1, further comprising the step of:
ソフト制約のうちに、前記慣性センサの前記位置及び速度が、前記初期化インターバル中において周期性を有するという要件を含めるステップと、
前記初期化インターバル中におけるレートジャイロデータの時系列の対応する軸に対して離散フーリエ変換を適用することにより、前記レートジャイロのそれぞれの軸ごとに周波数ドメイン信号Ω(f)=DFT(ω(t))、Ω(f)=DFT(ω(t))、Ω(f)=DFT(ω(t))を算出するステップと、
優位周波数fmaxを3つの軸にまたがる最大の変換の大きさを有する周波数fmax=argmax(max(|Ω(f)|,|Ω(f)|,|Ω(f)|))として選択し、且つ前記優位周波数から、T=1/fmaxとして優位周期Tを算出するステップと、
前記ペナルティ計測基準のうちに、動きの1つの周期にわたる前記速度の変化の絶対値である速度ペナルティ計測基準
Figure 0006147446
と、動きの1つの周期にわたる前記位置の変化の絶対値である位置ペナルティ計測基準
Figure 0006147446
とを含めるステップと、
前記初期速度及び初期向きの推定値の計算のために、前記初期化インターバル内において指定された期間を選択する、即ち、[t,t+T]⊂[t,t]とするステップと、
前記指定された期間にわたる前記速度ペナルティ計測基準を極小化することにより、前記初期向きの推定値を算出するステップと、
前記初期向きの推定値を使用して、前記指定された期間にわたる前記位置ペナルティ計測基準を極小化することにより、前記初期速度の推定値を算出するステップと
を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
Including, among soft constraints, a requirement that the position and velocity of the inertial sensor have periodicity during the initialization interval;
By applying a discrete Fourier transform to the corresponding axis of the time series of rate gyro data during the initialization interval, a frequency domain signal Ω x (f) = DFT (ω x for each axis of the rate gyro. (T)), Ω y (f) = DFT (ω y (t)), Ω z (f) = DFT (ω z (t));
The frequency f max = argmax (max (| Ω x (f) |, | Ω y (f) |, | Ω z (f) |) having the maximum transformation magnitude across the three axes with the dominant frequency f max ) And calculating the dominant period T from the dominant frequency as T = 1 / f max ;
Among the penalty measurement standards, a speed penalty measurement standard that is an absolute value of the change in speed over one period of movement
Figure 0006147446
And a position penalty metric that is the absolute value of the change in position over one period of motion
Figure 0006147446
Including a step, and
For the calculation of the initial velocity and the initial direction estimate, the period specified in the initialization interval is selected, ie, [t 1 , t 1 + T] ⊂ [t 0 , t n ]. When,
Calculating the initial orientation estimate by minimizing the speed penalty metric over the specified period;
Calculating the initial velocity estimate by minimizing the position penalty metric over the specified time period using the initial orientation estimate. Item 2. The method according to Item 1.
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